Verdens lengste skalpell

Den skal bli nesten femti kilometer lang, og tåle lysets hastighet. Så hvorfor sammenlignes partikkelakseleratoren CLIC med en skalpell?

"32 år gamle Erik Adli viser fram prototypen på CLIC, en revolusjonerende ny partikkelakselerator. CLIC kan gi forskerne ny viten om hvordan universet er skrudd sammen. (Foto: privat)"
"32 år gamle Erik Adli viser fram prototypen på CLIC, en revolusjonerende ny partikkelakselerator. CLIC kan gi forskerne ny viten om hvordan universet er skrudd sammen. (Foto: privat)"


 

- Jeg liker å jobbe med ting som føles vesentlig. Og spørsmålet om hvordan universet er skrudd sammen er jo ganske viktig, sier Erik Adli.

Den norske stipendiaten tilknyttet Universitet i Oslo tar i mot forskning.no på CERN, utenfor Geneve i Sveits.

Det berømte forskningssenteret jobber nå på spreng fram mot sommeren 2008, og verdens største partikkeleksperiment. Da skal milliarder av protonpartikler kollidere i den kraftigste partikkelakseleratoren som noen sinne er bygget: LHC (Large Hadron Collider).

Håpet er at kollisjonene, som skal gjenskape noen av forholdene fra The Big Bang, vil avsløre alt fra sorte hull til nye elementærpartikler. Fysikere verden rundt holder nærmest pusten i spenning.

Likevel er det helt andre ting som opptar 32 år gamle Adli akkurat nå. Han jobber nemlig med det som kan bli det neste store partikkeleksperimentet etter LHC:

En 48 kilometer lang partikkelakselerator som har fått navnet CLIC (Compact Linear Collider).

Presisjon

De to prosjektene henger riktig nok nøye sammen. Mens LHC er selve “storslegga” som skal knuse store bunter av protonpartikler for å finne ut hva som er “inni”, kan CLIC bli presisjonsinstrumentet som analyserer funnene videre.

Mange håper for eksempel at LHC vil kunne gi en indikasjon på at det finnes flere dimensjoner enn de vi mennesker fra naturens side er i stand til å observere (tid og rom). I så fall vil CLIC kanskje kunne fortelle nøyaktig hvor mange slike ekstra dimensjoner som finnes, og mer om hvordan de er.

"Steinkjer-mannen har bodd mer enn 3 år i Geneve, der han jobber med doktorgraden i akseleratorfysikk. (Foto: Espen Eggen)"
"Steinkjer-mannen har bodd mer enn 3 år i Geneve, der han jobber med doktorgraden i akseleratorfysikk. (Foto: Espen Eggen)"

- CLIC vil kunne se egenskaper ved partiklene som LHC ikke klarer å påvise. Man kan sammenligne LHC med en motorsag, og CLIC med en skalpell, sier Adli.

Rett bane

Kanskje er ikke sammenligningen så dum. I hvert fall er forskjellene mellom LHC-prosjektet og CLIC omtrent like store som forskjellene mellom nettopp en motorsag og en skalpell.

Mens partiklene i LHC skal fare rundt og rundt i en 27 kilometer lang sirkelformet bane, vil den 48 kilometer lange tunnelen til CLIC være rett som en snor.

Og mens store deler av LHC må kjøles ned til minus 271,5 grader, kan CLIC operere i romtemperatur.

Ingen utstrekning

Selve partiklene som skal kollidere er også svært forskjellige. Mens LHC smeller sammen den relativt store partikkeltypen protoner, er det de knøttsmå elementærpartiklene elektroner og positroner som skal kollidere i CLIC.

- Elektroner er så små at de ikke har noen utstrekning i den vanlige betydningen av ordet. Men de har både masse og elektrisk ladning, og vil derfor kunne kollidere med hverandre, sier Adli.

Nettopp det at partiklene i CLIC er så små, forklarer også hvorfor detaljnivået blir så mye bedre.

- Med CLIC vil vi blant annet vite nøyaktig hvor mye energi hver elementærpartikkel har i kollisjonsøyeblikket. Dermed vil vi forstå mye mer av egenskapene til partiklene som blir skapt i kollisjonene, forklarer Adli.

Modelljernbane

Så tar 32-åringen fra Steinkjer oss med inn i en av de utallige lagerbygningene som ligger spredt rundt på CERNs campus-område.

I et rom på rundt 40 kvadratmeter står det som ved første øyekast ser ut som en slags futuristisk modelljernbane.

På en finérplate som er omtrent to ganger seks meter stor, er det montert en rekke magnetspoler, ledninger og diverse dupeditter. Omtrent på midten av bordet, i lengderetningen, går det en slags metallbane.

- Dette er prototypen på to-stråle akselerasjon, som er noe av det mest spennende og nyskapende med CLIC, sier Adli.

"For å kontrollere elektronene brukes magneter i mange varianter. Den enkleste typen er en slik dipolmagnet som brukes til å styre elektronene. (Foto: Espen Eggen)"
"For å kontrollere elektronene brukes magneter i mange varianter. Den enkleste typen er en slik dipolmagnet som brukes til å styre elektronene. (Foto: Espen Eggen)"


 

Hvorfor nyskapende? Jo, fordi CLIC kan bli helt ulik alle andre partikkelakseleratorer som noen gang er laget.

Faktisk har Adli og de rundt 50 andre CLIC-forskerne på CERN tatt mål av seg å revolusjonere måten partikkelakseleratorer fungerer. Men før han forklarer hvorfor, er det nødvendig med litt bakgrunnsinformasjon.

Gammelt nytt

Det å akselerere elektroner og positroner, slik CLIC skal gjøre, er i seg selv ikke noe nytt.

Slike partikkelakseleratorer har de siste femti årene jobbet i “tospann” med protonknusere som LHC. Først knuses protonene, så rykker forskerne som bruker elektron-positron akseleratorer inn og gjør finarbeidet.

Og akkurat som det stadig kommer nye sterkere og raskere biler ut på markedet, har partikkelakseleratorene som fysikerne boltrer seg med også blitt både sterkere og raskere de siste femti årene.

Problemet er at den velkjente og utprøvde teknologien i de tradisjonelle elektron-positron akseleratorene begynner å bli akterutseilt.

Går for sakte

Hensikten med en akselerator er nemlig å få partiklene opp i en så høy fart som mulig (nær lysets hastighet) før de kolliderer.

"Bildet viser en kvadrupolmagnet (firekantet magnet). Disse brukes til å styre elektronene inn mot sentrum av banen, som sees i midten. (Foto: Espen Eggen)"
"Bildet viser en kvadrupolmagnet (firekantet magnet). Disse brukes til å styre elektronene inn mot sentrum av banen, som sees i midten. (Foto: Espen Eggen)"

Jo høyere hastighet, dess mer bevegelsesenergi (kinetisk energi) har partiklene i kollisjonsøyeblikket, akkurat som to biler som kolliderer.

Og jo høyere energi, dess mer kan forskerne finne ut av hvordan naturens fundamentale partikler og krefter virker.

I akseleratorer som LHC, løses dette ved å bygge sirkulære partikkelbaner. Da kan partiklene få opp farten ved å akselerere i runde etter runde før de kolliderer.

Men sirkulære partikkelbaner fungerer ikke så bra med de knøttsmå elektronene.

Det elektromagnetiske feltet de er omgitt av, bremser nemlig partikkelen i svingene når det går for fort. Derfor må en høyenergi elektron-positron akselerator være rett (lineær).

Dårlig akselerasjon

Dermed må disse akseleratorene bygges svært lange, for å få lang nok bane til å akselerere partiklene. Neste generasjons lineære akseleratorer er planlagt å være 30-50 kilometer lange.

På slike “racerbaner” skal så partiklene øke hastigheten fra hviletilstand til nesten lysets hastighet.

“Motoren” som driver partiklene i tradisjonelle akseleratorer skaper svingende elektriske felt, som “puffer” partikkelen stadig raskere bortover partikkelstrålen,.

Problemet med lineære akseleratorer er at hele “motoren” må bygges langs selve partikkelbanen. Og når banene strekker seg opp mot 50 kilometer, blir dette både dyrt og uhåndterlig, og setter grenser for hvor stor fart partiklene rekker å komme opp i før kollisjonen.

Nå setter mange forskere sin lit til at CLIC skal løse denne utfordringen for lineære akseleratorer.

Drivstråle

Det spesielle med CLIC er nemlig at den består av to partikkelstråler, og ikke bare én, som de tradisjonelle akseleratorene.

I tillegg til hovedstrålen, der partiklene som skal kollidere farer av gårde, har CLIC nemlig en såkalt drivstråle.

Og det er i denne separate drivstrålen at selve “motorkraften” befinner seg.

- Drivstrålens funksjon er å tilføre energien som er nødvendig for å akselerere partiklene i hovedstrålen, forklarer Adli.

Stor “motor”

Fordelen med å hente energien fra en separat drivstråle er at kraftforsyningen for drivstrålen kan plasseres hvor som helst.

Dermed kan “motoren” i prinsippet bygges akkurat så stor man ønsker for å få nok fart på partiklene.

"Dette er en del av motorrommet til CLIC, der drivstrålen får kraft før den avgir energien til hovedstrålen. (Foto: Espen Eggen)"
"Dette er en del av motorrommet til CLIC, der drivstrålen får kraft før den avgir energien til hovedstrålen. (Foto: Espen Eggen)"


 

Denne revolusjonerende tostråleteknologien er litt som å kappe over en gordisk knute i akseleratorfysikken.

CLIC sprenger grensene for hvor mye energi partiklene i hovedstrålen praktisk kan tilføres, og kan være med på å åpne et nytt kapittel i hva slike akseleratorer kan avsløre.

Skreller energi

Så hvordan overføres energien fra drivstrålen til hovedstrålen?

- Jeg kaller det å skrelle energien. Elektronene i drivstrålen sendes gjennom noe som heter PETS, der det elektromagnetiske feltet i elektronene skrelles av og overføres til hovedstrålen, sier Adli.

"En del av en PETS, hvor rillene som skreller feltet rundt elektronene vises. (Foto: Espen Eggen)"
"En del av en PETS, hvor rillene som skreller feltet rundt elektronene vises. (Foto: Espen Eggen)"


 

PETS står for Power Extractor and Transfer Structure, og CLIC vil trenge rundt 70 000 stykker av dem.

Dette er en slags bokser som er bygget rundt drivstrålen. Innvendig er hver PETS dekket av kobberplater, som har spesielle riller i seg. For hver PETS et elektron passerer, skrelles litt av det elektromagnetiske feltet av i rillene, og overføres til hovedstrålen.

- Virrer vekk

Men det er ikke bare bare å være et elektron som gjentatte ganger får skrelt vekk litt av feltet sin.

- Når elektronene skrelles, får de seg også et lite “spark” og begynner å virre vekk fra banen sin. Derfor må vi bygge kraftige magneter for å holde elektronene på plass i drivstrålen, forklarer forskeren.

Usikker teknologi

Med den nye tostråleteknologien vil partiklene kunne kollidere med femten ganger så høy energi som den sterkeste elektron-positron akseleratoren som har vært bygget til nå (LEP). Men foreløpig vet dessverre ingen om dette vil fungere i praksis.

Adli og teamene han jobber med har foreløpig bare klart å bevise i liten skala at tostråleløsningen fungerer. Nå jobber de med bevise at konseptet vil fungere også i full skala.

- Vi håper å kunne bevise dette i løpet av tre-fire år. Jeg er optimist på at det skal la seg gjøre, sier Adli, som har jobbet ved CERN i drøyt tre år.

"Sylinderen i bakgrunnen er en PETS. Inni sitter kobberplatene med riller (som den i forgrunnen), som skreller elektronenes elektromagnetiske felt. (Foto: Espen Eggen)"
"Sylinderen i bakgrunnen er en PETS. Inni sitter kobberplatene med riller (som den i forgrunnen), som skreller elektronenes elektromagnetiske felt. (Foto: Espen Eggen)"

Rundt 2010, når “storslegga” LHC etter planen for lengst har begynt å levere sine resultater, begynner nemlig arbeidet med å avgjøre hva slags elektron-positron akselerator som skal bygges fram mot 2020.

Hvem vinner?

Parallelt med arbeidet til CLIC-forskerne på CERN jobber en internasjonal forskergruppe med designet til en mer tradisjonell akselerator, som kalles ILC.

Løsningen som velges kommer uansett til å koste et titalls milliarder kroner, og svært mye står på spill.

Kampen om hvem som stikker av med “seieren” ventes å stå nettopp mellom CLIC og ILC. Og naturen selv vil trolig være med på å kåre vinneren.

Hvis de mest spennende partiklene i LHC viser seg i et forholdsvis lavt energispekter, vil en tradisjonell akselerator som ILC trolig holde fint for videre forskning.

Men hvis partiklene krever høyere energi for å vise seg, vil CLIC kunne bli den eneste veien å gå videre.

Adli håper å kunne være med å vise at CLIC peker mot framtidens partikkelforskning, og er uansett svært takknemlig for å være med på et forskningsprosjekt i akseleratorfysikkens grenseland.

- Det vi finner ut av her på CERN, vil ha relevans også i framtiden. I motsetning til det en del andre driver med, går partikkelfysikk heldigvis aldri av moten, sier Adli.

Powered by Labrador CMS